气源装置及压缩空气净化系统

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第9章 气源装置及压缩空气净化系统,第,9,章,气源装置及压缩空气净化系统,9.1 压缩空气,9.2 气源系统及空气净化处理装置,9.3 压缩空气的输送,思考题与习题,9,.,1,压缩空气,9.1.1空气的物理性质,1.空气的湿度与露点,自然界的空气是由很多气体混合而成的。其主要成分有氮（,N,2,）,和氧（,O,2,），,其他气体占的比例极小，此外，空气中常含有一定量的水蒸气。水蒸气的含量取决于大气的湿度和温度。把含有水蒸气的空气称为湿空气，大气中的空气基本上都是湿空气；把不含水蒸气的空气称为,干空气。标准状态下（即温度为0、压力为,p,=0.1013,MPa,）,干空气的组成如表9-1所示。,表9-1 干空气的组成,成分,氮气,N,2,氧气,O,2,氩,Ar,二氧化碳,CO,2,其他气体,体积分数/%,78.03,20.93,0.932,0.03,0.078,质量分数/%,75.50,23.10,1.28,0.045,0.075,湿空气的压力称为全压力,p，,是干空气的分压力,pg,和水蒸气的分压力,ps,之和，即,p,=,p,s,+,p,g,(9-1）,分压力是指湿空气的各个组成气体，在相同温度下，独占湿空气总容积时所具,有的压力。平常所说的大气压力就是指湿空气的全压力。,露点是指在规定的空气压力下，当温度一直下降到成为饱和状态时，水蒸气开始凝结的那一刹那的温度。露点又可分为大气压露点和压力露点两种，大气压力露点是指在大气压下水分的凝结温度。图9-1给出了温度在-30+80 范围内每立方米大气所含有水分的克数，而压力露点是指气压系统在某一高压下的凝结温度。以空气压缩机为例，其吸入口为大气压,露点，输出口为压力露点。,图9-2为大气压露点与压力露点之间的换算表。如要求大气压露点为-22，在压力为7,bar,状况下的压力露点，则可在图9-2中查到压力露点为4，意为在压力为7,bar，,当空气冷却到4 时，若将其减压成大气压，则水分在-22以下会凝结，湿空气便有水滴析出。降温法清除湿空气中的水分利用的就是此原理。相对湿度因空气湿度和气候状况而异。常把相对湿度定义为,相对湿度=100%绝对湿度/饱和水含量,式中，绝对湿度是指单位立方米空气中所含的水分的量；饱和水含量是指单位立方米空气在所述温度下能够吸收水分的量。,空气在不同温度下的饱和水含量可由图9-1查得。,图9-1 露点表,图9-2 压力露点与大气压露点的换算,2.空气的密度,空气具有一定质量，其密度是单位体积内空气的质量，用,表示，即,式中，,m,表示空气的质量（,kg,）；,V,表示空气的体积（,m,3,）。,空气的密度与温度、压力有关，三者满足气体状态方程式。,(,9-2),9.1.2气体状态方程,气体的三个状态参数是压力,p,、,温度,T,和体积,V,。,气体状态方程是描述气体处于某一平衡状态时，这三个参数之间的关系。本节介绍几种常见的状态变化过程。,1理想气体的状态方程,所谓理想气体，是指没有粘性的气体。一定质量的理想气体在状态变化的某一稳定瞬时，,有以下气体状态方程成立：,(,9-3),式中，,p,1,、,p,2,分别为气体在1、2两状态下的绝对压力（,Pa,）；,V,1,、,V,2,分别为气体在1、2两状态下的体积(,m3)；,T,1,、,T,2,分别为气体在1、2两状态下的热力学温度(,K)；,为气体的密度（,kg/m,3,）；,R,为气体常数(,J/（kgK）)，,其中，干空气,R,g,2871 J/(kgK)，,湿空气,R,s,=46205 J/(kgK)。,由于实际气体具有粘性，因而严格地讲它并不完全符合理想气体方程式。实验证明：理想气体状态方程适用于绝对压力不超过20,MPa,、,温度不低于20 的空气、氧气、氮气、二氧化碳等，不适用于高压状态和低温状态下的气体。,、V、T,的变化决定了气体的不,同状态，在状态变化过程中加上限制条件时，理想气体状态方程将有以下几种形式。,2 理想气体的状态变化过程,（1）等容过程（查理定律）：一定质量的气体，在体积不变的条件下，所进行的状态,变化过程，称为等容过程。等容过程的状态方程为,式（9-4）表明：当体积不变时，压力上升，气体的温度随之上升；压力下降，气体的温度随之下降。（2）等压过程（盖吕萨克定律）：一定质量的气体，在压力不变的条件下，所进行的状态变化过程，称为等压过程。等压过程的状态方程为,式（9-5）表明：当压力不变时，温度上升，气体的体积增大（气体膨胀）；,温度下降，气体的体积缩小。,（3）等温过程（波意耳定律）：一定质量的气体，在温度保持不变的条件下，所进行的状态变化过程，称为等温过程。气体状态变化很慢时，可视为等温过程，如气动系统中的气缸运动、管道送气过程等。等温过程的状态方程为,(,9-6),式（9-6）表明：在温度不变的条件下，气体压力上升时，气体体积被压缩；气体压力下降时，气体体积膨胀。,（4）绝热过程：一定质量的气体，在其状态变化过程中，和外界没有热量交换的过程称为绝热过程。当气体状态变化很快时，如气动系统的快速充、排气过程，可视为绝热过程。其状态方程式为,(,9-7),由式（9-3）和 式（9-7）可得,上式中，,k,为绝热指数，对于干空气,k,=1.4，,对于饱和蒸气,k,=1.3。,在绝热过程中，系统靠消耗自身内能对外做功。,【例9-1】由空气压缩机往储气罐内充入压缩空气，使罐内压力由0.1,MPa,(,绝对)升到0.25,MPa,(,绝对)，气罐温度从室温20 升到,t,，,充气结束后，气罐温度又逐渐降至室温，此时,罐内压力为,p,，,求,p,和,t,各为多少。（提示：气源温度也为20。）,解 此过程是一个复杂的充气过程，可看成是简单的绝热充气过程。,已知：,p,1,0.1,MPa,，,p,2,=0.25,MPa,，,T,1,=(20+273),K,=293 K,由式(9-8)得,所以有,t,=,T,-273=(380.7-273)()=107.7(),充气结束后为等容过程,根据式(9-4)得,9.2,气源系统及空气净化处理装置,在气动控制系统中，压缩空气是工作介质。,压缩空气在气动系统中的主要作用如下：,（1）决定传感器的状态；,（2）处理信号；,（3）通过控制元件控制执行机构；,（4）实现动作（执行元件）。,气源系统是为气动设备提供满足要求的压缩空气动力源。气源系统一般由气压发生装置、压缩空气的净化处理装置和传输管路系统组成。典型的气源及空气净化处理系统如图9-3所示。,图9-3 气源及空气净化处理系统,9.2.1空气压缩机（,Air compressor),空气压缩机简称空压机，是气压发生装置。空压机将电机或内燃机的机械能转化为压缩空气的压力能。,1.分类,空压机的种类很多，可按工作原理、结构形式及性能参数分类。,1）,按工作原理分类按工作原理，空压机可分为容积式空压机和速度式空压机。容积式空压机的工作原理是使单位体积内空气分子的密度增加以提高压缩空气的压力。速度式空压机的工作原理是提高气体分子的运动速度以此增加气体的动能，然后将气体分子的动能转化为压力能以,提高压缩空气的压力。,2）按结构形式分类,按结构形式空压机的分类如图9-4所示。,图9-4空压机分类,3）按空压机输出压力大小分类,按空压机输出压力大小,可将其分为如下几类：低压空压机,输出压力在0.21.0,MPa,范围内；,中压空压机,输出压力在1.010,MPa,范围内；,高压空压机,输出压力在10100,MPa,范围内；,超高压空压机,输出压力大于100,MPa,。,4）,按空压机输出流量(排量)分类,按空压机输出流量(排量)可分为如下几类：,微型空压机,其输出流量小于1,m,3,/min；,小型空压机,其输出流量在110,m,3,/min,范围内；,中型空压机,其输出流量在10100,m,3,/min,范围内;,大型空压机,其输出流量大于100,m,3,/min。,2.工作原理,常见的空压机有活塞式空压机、叶片式空压机和螺杆式空压机三种。以下介绍它们的工作原理。,1）活塞式空压机,活塞式空压机的工作原理如图9-5所示。当活塞下移时,气体体积增加,气缸内压力小于大气压，空气便从进气阀门进入缸内。在冲程末端，活塞向上运动,排气阀门被打开,输出空气进入储气罐。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。这种类型的空压机只由,一个过程就将吸入的大气压空气压缩到所需要的压力,因此称之为单级活塞式空压机。,图9-5 活塞式空压机的工作原理,单级活塞式空压机通常用于需要0.30.7,MPa,压力范围的系统。在单级压缩机中，若空气压力超过0.6,MPa,，,产生的过热将大大地降低压缩机的效率。因此当输出压力较高时，应采取多级压缩。多级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排量。,工业中使用的活塞式空压机通常是两级的。图9-6所示为两级活塞式空压机。由两级三个阶段将吸入的大气压空气压缩到最终的压力。如果最终压力为0.7,Mpa,第一级通常将它压缩到0.3,MPa,，,然后经过中间冷却器被冷却，压缩空气通过中间冷却器后温度大大下降，再输送到第二级气缸，压缩到0.7,MPa,。,因此,相对于单级压缩机它提高了效率。图9,-7为活塞式空压机的外观。,图9-6 两级活塞式空压机,图9-7活塞式空压机的外观,(,a),单级活塞式空压机；(,b),两级活塞式空压机,2）叶片式空压机,叶片式空压机的工作原理如图9-8所示。把转子偏心安装在定子内，叶片插在转子的放射状槽内，且叶片能在槽内滑动。叶片、转子和定子内表面构成的容积空间在转子回转（图中转子顺时针回转）过程中逐渐变小，由此从进气口吸入的空气就逐渐被压缩排出。这样，在回转过程中不需要活塞式空压机中有吸气阀和排气阀。在转子的每一次回转中，将根据,叶片的数目多次进行吸气、压缩和排气，,所以输出压力的脉动较小。,图9-8 叶片式空压机的工作原理,通常情况下,叶片式空压机需使用润滑油对叶片、转子和机体内部进行润滑、冷却和密封,所以排出的压缩空气中含有大量的油分,因此在排气口需要安装油气分离器和冷却器，以便把油分从压缩空气中分离出来，进行冷却,并循环使用。,通常所说的无油空压机是指用石墨或有机合成材料等自润滑材料作为叶片材料的空压机,运转时无需添加任何润滑油,压缩空气不被污染，满足了无油化的要求。,此外,在进气口设置空气流量调节阀，根据排出气体压力的变化自动调节流量，使输出压力保持恒定。叶片式空压机的优点是能连续排出脉动小的额定压力的压缩空气,所以，一般无需设置储气罐,并且其结构简单,制造容易,操作维修方便,运转噪声小。其缺点是叶片、转子,和机体之间机械摩擦较大，产生较高的能量损失,因而效率也较低。,3）螺杆式空压机,螺杆式空压机的工作原理如图9-9所示。两个啮合的凸凹面螺旋转子以相反的方向运动。两根转子及壳体三者围成的空间，在转子回转过程中沿轴向移动，其容积逐渐减小。,这样,从进口吸入的空气逐渐被压缩,并从出口排出。转子旋转时,两转子之间及转子与机体之间均有间隙存在。由于其进气、压缩和排气等各行程均由转子旋转产生,因此输出压力,脉动小，可不设置储气罐。,图9-9螺杆式空压机的工作原理,(,a),吸气；(,b),压缩；(,c),排气,螺杆式空压机与叶片式空压机一样,也需要加油进行冷却、润滑及密封,所以在出口处也要设置油气分离器。,螺杆式空压机的优点是排气压力脉动小,输出流量大,无需设置储气罐,结构中无易损件,寿命长,效率高。其缺点是制造精度要求高,且由于结构刚度的限制,只适用于中低压范围使用。,3.空压机的选用,首先根据气动系统所需要的工作压力和流量确定空压机的输出压力,p,c,和供气量,Q,c,。,空压机的供气压力,p,c,为,p,c,=,p,+,p,(9-9),式中,p,为气动系统的工作压力,单位为,MPa,；,p,为气动系统总的压力损失。,气动系统的工作压力应为系统中各个气动执行元件工作的